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Pultrusion of Natural Fiber-Reinforced Composites Injection molding assisted

Nawaf Alsinani

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Surface finish irregularities and deconsolidation are common issues in ThermoPlastic Composites (TPC) pultrusion. These issues normally happen due to inappropriate execution of the cooling process. The auto industry is enthusiastically trying to increase their use of natural fibers cellulose-based composites such as long fiber thermoplastics (LFT). TPC pultrusion is a manufacturing technique which can be used to produce natural-fiber-reinforced LFT pellets. Yet, this technique's maturity level does not meet the high production speed requirements that fit the automotive industry's high manufacturing volume. This dissertation's main objective is to produce Flax/Polypropylene (Flax/PP) LFT pellets for automotive applications using TPC pultrusion. The first objective is to develop a cooling system which is capable to accurately control the pultrudate's cooling temperature profile. Carbon/Polyethylenimine (C/PEI) (Amorphous) and C/Polyether ether ketone (C/PEEK) (Semi-crystalline) pultrudates were produced and reprocessed to measure the adhesion forces throughout the cooling process. Lesser pulling forces were observed, and deconsolidation was evaded when the pultrudates were rapidly cooled below the polymers' glass transition temperature (T_g). For the amorphous polymer (C/PEI) attained a surface finish (Ra) of 0.72 when cooling at 〖 T〗_g/2. For the semi-crystalline polymer (C/PEEK) attained finest surface finish quality at a cooling temperature of 243°C. It is anticipated that this cooling temperature induced fast crystallization. The second objective was to apply our recently developed multi-die thermoplastic pultrusion process with cooling stage to produce Flax fiber-reinforced (LFT) pellets. After producing those LFT pellets, we studied the impact of their void contents on the mechanical properties of the injection molded components. The LFT's void fraction was found to have a significant impact on the LFT pelletizing quality and on the mechanical properties of the injection-molded components. Flax/PP pellets which had void fractions up to 8%, were injection-molded without any issue. For Flax/PP pellets which had void fractions of 15%, the pelletizing process of these high-void pultrudates was very damaging, resulting in shattered pellets with detached dry fibers. Manual intervention was required to make the LFT pellets and dry Flax fibers sink in the injection molding machine. Finally, the LFT impregnation quality and size did not have any impact on the maximum tensile strengths of the injection-molded components. The third objective to present to the effect of high pulling speeds on the morphologies of pultrudates in a TPC pultrusion process. Three pulling speeds, between 50 and 1000 mm/minute, were selected to study the effect of varying the pulling speeds. Using a model, the polymer pressure in the pultrusion dies was calculated for respective pultrusion pulling speed. The microscopic images showed a reconfiguration of the pultruded rods a higher pulling speed that led to greater unimpregnated and polymer rich areas. The highest tensile strength was achieved by the pultrudates produced at 50 mm/minute. The tensile strength dropped by almost 20% when the pulling speed was increased to 1000 mm/minute. The pultruded rod's reconfiguration, attributed to the progressive melting of the PP fibers exerting high compaction pressure on Flax yarns, is thought to be responsible for the decline in impregnation quality and mechanical strength. This study opens the door for the utilization of pultruded thermoplastics in numerous fields including producing high quality Flax-reinforced LFT pellets production. The developed cooling system was used to make Flax reinforced LFT pellets resulted in Flax/PP injected parts having modulus increase of 2.5 times the modulus of Pure PP, and impact strengths above 10.5 kJ/m^2 for coupons injected with 25 wt% Flax content. Those results are unmatched in the literature reviewed. We were able to raise the pulling speeds to 1 m/minute in order to make the production of LFT using TPC pultrusion more suited for industrial applications. Our results demonstrate a practical solution towards adopting environmental-friendly material alternatives.

Résumé

Les imperfections de la finition de la surface ainsi que la déconsolidation thermique sont des problèmes courants dans la Pultrusion des Composites Thermoplastiques (PCT). Ces problèmes sont généralement dus à une exécution erronée du processus de refroidissement. L'industrie automobile s'efforce avec enthousiasme d'accroître l'utilisation des matériels composites à base de fibres naturelles et de cellulose, tels que les thermoplastiques à fibres longues (TFL). La PCT est une technique de fabrication qui peut être utilisée pour produire des granulés TFL renforcés de fibres naturelles. Cependant, le niveau de maturité de cette technique ne répond pas encore aux exigences de vitesse de production élevée qui correspondent au volume de fabrication important de l'industrie automobile. L'objectif principal de cette thèse est de produire des granulés TFL renforcés de lin PP pour des applications automobiles en utilisant la PCT. Le premier objectif est de développer un système de refroidissement capable de contrôler avec précision le profil de température de refroidissement du pultrudé. Des pultrudats de Carbone/Polyéthylèneimine (C/PEI) (amorphe) et de C/Polyétheréthercétone (C/PEEK) (semi-cristallin) ont été produits et retraités pour mesurer les forces d'adhésion pendant le processus de refroidissement. Des moindres forces de traction ont été observées, et la déconsolidation a été évitée lorsque les pultrudés ont été rapidement refroidis en dessous de la température de transition vitreuse (T_g). Pour le polymère amorphe (C/PEI), on a atteint un état de surface (Ra) de 0,72 lors du refroidissement à un température de T_g⁄2. Pour le polymère semi-cristallin (C/PEEK), la qualité de finition de surface la plus impressionnante a été atteinte à une température de refroidissement de 243°C. On soupçonne que cette température de refroidissement a induit une cristallisation rapide. Le deuxième objectif était d'appliquer notre processus de PCT multi-moules récemment développé avec une étape de refroidissement pour produire des granulés renforcés de fibres de lin (TFL). Après avoir produit ces granulés TLF, nous avons étudié l'impact de leur teneur en vide sur les propriétés mécaniques des composants moulés par injection. Nous avons constaté que la fraction de vide du TFL avait un impact significatif sur la qualité de granulation du TFL et sur les propriétés mécaniques des composants moulés par injection. Les granulés de lin/ Polypropylène (lin/PP) qui avaient des fractions de vide allant jusqu'à 8%, ont été moulés par injection sans aucun problème. Pour les granulés de lin/PP ayant des fractions de vide de 15%, le processus de granulation de ces pultrudés à haute teneur en vide a été très dommageable, ce qui a donné des granulés éclatés avec des fibres sèches et détachées. Une intervention manuelle était nécessaire pour faire couler les granulés TFL et les fibres sèches de lin dans la machine à injecter. Enfin, la qualité et la taille de l'imprégnation TFL n'ont pas eu d'impact sur les résistances maximales à la traction des composants moulés par injection. Le troisième objectif à présenter est à l'effet des vitesses de tirage élevées sur les morphologies des pultrudés dans un procédé de PCT. Trois vitesses de traction, entre 50 et 1000 mm/minute, ont été sélectionnées pour étudier l'effet de la variation des vitesses de traction. À l'aide d'un modèle, la pression du polymère dans les moules de pultrusion a été calculée pour chaque vitesse de pultrusion. Les images microscopiques ont montré une reconfiguration des tiges pultrudées à une vitesse de traction plus élevée qui a produit de plus grandes zones non-imprégnées et riches en polymère. La résistance à la traction la plus élevée a été obtenue par les pultrudés produits à 50 mm/minute. La résistance à la traction a chutée de près de 20% lorsque la vitesse de traction a été augmentée à 1000 mm/minute. La reconfiguration de la tige pultrudée, attribuable à la fonte progressive des fibres de polymères qui compactent les fils de lin, serait responsable de la baisse de la qualité de l'imprégnation et des propriétés mécaniques. Cette étude ouvre la porte à l'utilisation des composites thermoplastiques pultrudés dans de nombreux domaines, y compris la production de granulés TFL renforcés de lin de haute qualité. Le système de refroidissement développé a été utilisé pour fabriquer des granulés TFL renforcés de lin, ce qui a permis d'obtenir des pièces injectées en lin/PP dont le module a augmenté de 2,5 fois par rapport au module du PP pur, et des résistances aux chocs supérieures à 10,5 pour les coupons injectés avec une teneur en lin de 25 %. Ces résultats sont incomparables a ceux examinée dans la littérature. Nous avons pu augmenter les vitesses de tirage à 1 m/minute afin de rendre la production de TFL par PCT adaptée aux applications industrielles. Nos résultats démontrent une solution pratique pour l'adoption de matériaux alternatifs respectueux de l'environnement.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: PhD.
Academic/Research Directors: Louis Laberge Lebel
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10422/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 01 Feb 2023 15:05
Last Modified: 01 Feb 2024 15:06
Cite in APA 7: Alsinani, N. (2022). Pultrusion of Natural Fiber-Reinforced Composites Injection molding assisted [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10422/

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